——多种钢结构体磁场强度计算模型的优化应用研究
汪琴
（闽南理工学院，福建，石狮，362700）
【摘要】地磁场的稳定性以及钢结构的铁磁性是磁法探测理论应用于钢结构变形监测的客观条件，邱子汉[1]等人对磁法探测理论在钢结构变形监测中的应用进行了有益的探索，汪琴[2]等人对多种基本钢结构体磁场强度计算模型进行了优化，文本着重利用计算机编程绘制多种基本钢结构体磁场强度变化图,分析钢结构体磁场强度的特征，为一步分析承压变形钢结构形体磁场强度特征以及建立现实场源下承压变形钢结构体磁场强度测量方法奠定基础。
【关键词】基本钢结构体；优化；磁场强度；特征
1引言
钢结构是以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一，为保证钢结构的安全有效，需要进行钢结构监测，传统钢结构监测包括钢结构探伤检测、高强螺栓的摩擦系数检测以及钢结构变形监测，传统方式包括磁法探伤检测[3]、水准仪、测量机器人等进行几何变形检测，既费时又费力。邱子汉等人文献[1]在其研究论文中对磁法探测理论在钢结构变形监测中的应用进行了大胆的探索，证明了在钢结构变形监测中应用磁法探测的可能性。
汪琴[2]等人对多种基本钢结构体磁场强度计算模型进行了优化，建立可以应用于计算机编程的计算模型，本文将利用计算机模拟理想场源下多种基本钢结构体外空间任意一点的磁场强度，绘制磁场强度与探测位置的相关曲线以及磁场强度等值线图，通过分析相关曲线及等值线图，得到基本钢结构体的磁场强度特征，为分析承压变形的及复杂钢结构形体磁场强度特征奠定了基础，进而为建立现实场源下承压变形钢结构测量方法做好准备，进一步拉近了磁法探测理论在钢结构变形监测中应用的距离。
2基本钢结构体外磁场强度模拟与特征分析
通过对基本钢结构体空间外任一点磁场强度计算公式优化，将复杂的、难以实现计算机编程的方程优化成简单的、可以进行计算机编程的计算公式，现基于visualc++平台，编辑计算程序，模拟理想场源下多种基本钢结构体空间外一点的磁场强度，使用Goldensurfer8.0软件绘制钢结构体测量面上的磁场强度等值线图以及中心剖面图（磁场强度与探测位置的相关曲线）。
2.1球体的磁场特征
选择半径为4mm,在离球体6mm的平面上进行测量方向的磁场。根据汪琴[3]等人的研究成果，以1980年我国地磁图南昌地区的地磁要素（=35520nT,=31520nT），基于visualc++平台，编辑计算程序，利用Goldensurfer8.0软件绘制如下在测量面上的等值线和中心剖面图。（文章后面的模型如无特殊说明都是采用此种方法得到的理论曲线）。
图1.(a)球体任意中心线上磁场变化图（b）球体测线与正北斜交45°的磁场等值线图；(c)球体磁场平面等值线图
由图1(a)可知曲线呈不对称状态分布，极大值并不在球心，而是向负方向偏移，并且出现一个负异常值，这两处异常都是由球体产生的。由图1(c)可见方向的磁场等值线呈现等轴状，负异常包围着正异常。假如侧线方向并不是正北方向，与正北成时的等值线（见图1(b)）时，正负异常连续发生偏移。所以我们应当尽可能沿正北方向测量。
2.2直立圆柱体磁场特征
设置半径为1.5mm，高为15mm。在离直立圆柱体上方3mm处测量时的磁场强度如下。我们可以看出，该磁场体特征与球体的相似（见图2）。
（a）正北方向
（c）
图2(a)（b）直立圆柱体磁场变化图；(c)直立圆柱体磁场强度平面等值线图
2.3板体的磁场特征
在实验中有长方体的尺寸大小为390×150×18（单位：mm）。可以看出在长方体边界处磁场（见图3）存在着明显变化，在长方体中心中有一块磁场变化稳定。
（b）正东方向
（c）
图3.(a)（b）长方体南北放置时磁场变化图；(c)长方体磁场平面等值线图
2.4水平圆柱体磁场特征
采用半径为2mm，长度为30mm的水平圆柱体，在距水平圆柱体中心9mm处测量面上。假设我们水平圆柱体东西放置，即方向垂直水平圆柱体走向方向，它的磁场特征见图4。如果水平圆柱体南北放置，即方向平行水平圆柱体走向方向，它的磁场特征见图5。我们可以看出他们的磁场特征存在着明显区别，因此做实验检测时与材料的摆放位置有很大关系。
图4.水平圆柱体东西放置时磁场变化图
图6.水平圆柱体南北放置时磁场等值线图
2.5小结
基于VC++平台编程，根据汪琴[3]等人优化后的球体、直立圆柱体、水平圆柱体的磁场强度计算公式，建立了多种基本钢结构体空间外一点磁场强度计算模型，模拟出了理想场源下多种钢结构体空间外测量面磁场强度等值线图及中心剖面图，通过对这些等值线图和中心剖面图分析，得到以下几个结论：
（1）每个模型都会产生一个正异常和一个负异常；
（2）磁场强度跳跃点都在模型的边缘处；
（3）影响磁场强度的主要有一下几个因素：（a）磁化强度；（b）形体放置方向与地磁场的夹角；
（c）探测点与形体的距离；
3总结与展望
本文在前人的基础上，利用计算机编程以及Goldensurfer8.0模拟出理想场源下多种基本钢结构体空间外测量面磁场强度等值线图与中心剖面图，经过对这些等值线图与中心剖面图的分析，等到多种钢结构体空间外一点磁场强度特征以及影响磁场强度的几个因素。
这些结论为分析承压变形钢结构体空间外磁场强度特征奠定了基础，同时也是建立现实场源下承压变形钢结构体磁场强度测量方法的基础，至此，作者进一步拉近了磁场探测理论应用于钢结构变形监测的距离。
参考文献：
[1]QiuZihan,XiongZhuguo,LiuXiangtong,ShenBaolong,HuXin,DeformationMonitoringofSteelStructureBasedonMagneticMethodProbingTheory[J].UrbanGeotechnicalInvestigation&Surveying.2011.()1:-(邱子汉,熊助国,刘向铜,沈宝龙,胡鑫基于磁法探测理论的钢结构变形监测研究.城市勘测2011()1)
[2]汪琴、邱子汉等多种钢结构磁场强度计算模型的优化研究工程建设标准化2014[10].
[3]于润桥，陈颖，鞠伟，程强强，邹恒财，邓贤远铁磁性材料磁法检测缺陷的2(1/2)维成像[J]无损探伤.2012(2).
课题项目：
福建省中青年教师教育科研项目资助（JB13210）
作者简介：
汪琴(1985－)，女，硕士研究生，助教，主要从事土木工程测绘方法创新研究及变形监测方法与数据处理方面研究